專利名稱：基于自支撐SiC的GaN器件及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體材料、器件制作技術(shù)，具體的說是一種半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)及制作方法，可用于制作高質(zhì)量的GaN微波器件、大功率器件以及光電器件等，可以有效度降低GaN器件的制作成本、提高器件的質(zhì)量。
背景技術(shù)：
近年來以碳化硅SiC、氮化鎵GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料由于具有大禁帶寬度、高臨界場強(qiáng)、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和速率、高異質(zhì)結(jié)界面二維電子氣濃度等優(yōu)良特性，使其受到了人們廣泛的關(guān)注。在理論上，利用這些材料制作的高電子遷移率晶體管HEMT、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管HBT、發(fā)光二極管LED、激光二極管LD等器件將具有現(xiàn)有器件無法比擬的優(yōu)異性能，因此近年來國內(nèi)外對其進(jìn)行了廣泛而深入的研究并相繼取得了令人矚目的成果。
然而，目前第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料和相關(guān)器件面臨的一個首要困難就是難以通過傳統(tǒng)的方法直接生長出高質(zhì)量的單晶材料，而是需要在某種襯底上通過異質(zhì)外延技術(shù)進(jìn)行生長。因此，相關(guān)器件的質(zhì)量、性能和應(yīng)用進(jìn)程不僅取決于寬禁帶材料本身的性能特點(diǎn)，還與其所采用襯底的特性密切相關(guān)。
以藍(lán)寶石襯底材料為例。80年代末Nakamura等人提出了利用二步法在藍(lán)寶石襯底上外延生長GaN材料的方案，參見Nakamura S，GaN Growth Using GaN Buffer Lager.Jpn J Appl Phys.30(10)，L 1705～L 1707，1991。該方案是在藍(lán)寶石襯底上首先生長一層GaN緩沖層，以降低由藍(lán)寶石與GaN晶格失配所引起的高缺陷密度，然后在緩沖層上再生長GaN材料。該方案雖然能夠獲得比采用單步工藝質(zhì)量更好的GaN材料，但是由于GaN材料(0001)生長面與藍(lán)寶石襯底C面的晶格失配高達(dá)約13.8％，所以即使采用了此方案生長的GaN材料的缺陷密仍高達(dá)108-1010/cm2以上，很難滿足高品質(zhì)GaN基器件的要求。同時，因?yàn)樗{(lán)寶石材料的熱導(dǎo)率較差，極大的制約著GaN基微波功率器件性能與集成度的提高。
以SiC襯底材料為例。1995年P(guān)once等人提出了在SiC襯底上以AlN作為緩沖層生長GaN材料的方法，參見Ponce F A，Kursor B S，Major B S，et al，J Appl Phys，67，410，1995。該方案是在SiC上首先淀積一層AlN作為緩沖層，接著在其上外延生長GaN材料并制作各種器件。使用SiC為襯底的GaN基器件其性能相比藍(lán)寶石襯底的器件電學(xué)性能與散熱能力均有了大幅的提高。然而，由于SiC襯底的尺寸較小，無法制作大珊長的GaN基微波功率器件。
以Si襯底材料為例，2006年Komiyama等人提出了在Si襯底首先生長SiC材料，再在SiC材料上生長GaN材料的方案，參見Komiyama J，Suzuki S，Nakanishi H，et al.JAppl Phys，V100，033519，2006。該方案首先在(111)晶面的Si襯底上制作一個較薄的SiC中間層，然后在SiC中間層上用MOCVD方法生長AlN緩沖層，最后在AlN緩沖層上生長GaN材料，其器件剖面參照圖1。該方案使用硅片為襯底，能夠制作大尺寸的GaN基器件；通過采用SiC材料作為中間層降低了GaN材料的應(yīng)力。但是，因?yàn)樵摲桨傅腟iC材料層的厚度達(dá)不到自支撐的要求而必須保留其下的Si襯底，這使得基于該方案制作的GaN器件的性能受到Si襯底的嚴(yán)重制約。對于GaN基微波功率器件而言，Si片存在電學(xué)性能差、熱導(dǎo)率低的缺點(diǎn)；對于GaN基光電器件而言，由于Si的禁帶寬度較窄會吸收一部分光能，降低器件的出光效率。
發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種基于自支撐SiC的GaN器件及制作方法。以解決目前制作于硅、碳化硅、藍(lán)寶石襯底上的GaN器件尺寸小、電學(xué)性能差、熱導(dǎo)率低等問題，能夠用于制作各種GaN功率及光電器件。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是取掉現(xiàn)有在硅片襯底上制作的GaN器件的硅片襯底，使整個GaN器件的結(jié)構(gòu)只有三層，即緩沖層，GaN器件結(jié)構(gòu)層，其中緩沖層下面是一層自支撐的SiC層，構(gòu)成三層結(jié)構(gòu)的GaN器件結(jié)構(gòu)。
制作本發(fā)明三層結(jié)構(gòu)的GaN器件方法。按如下過程進(jìn)行(1)根據(jù)器件要求選擇作為整個器件襯底的硅片晶向和尺寸；(2)利用常規(guī)的注氧隔離SIMOX、硅片鍵合BESOI、智能剝離UNIBOND在所選硅片上制作掩埋氧化層BOX、表層硅SOL，形成SOI結(jié)構(gòu)，即絕緣層上的硅；(3)在所述的SOI結(jié)構(gòu)上利用常規(guī)的化學(xué)汽相淀積CVD方法外延生長SiC材料層；(4)在外延生長的SiC層上通過常規(guī)的金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積MOCVD或分子束外延MBE方法外延生長AlN或GaN緩沖層；(5)在所述緩沖層上利用MOCVD或MBE方法外延生長出GaN器件結(jié)構(gòu)層；(6)利用常規(guī)的GaN工藝在GaN器件結(jié)構(gòu)層上制作歐姆接觸和肖特基接觸，引出電極；(7)利用常規(guī)的剝離工藝將所述SiC材料下面的SOI結(jié)構(gòu)層剝離掉，形成基于自支撐SiC的GaN器件三層結(jié)構(gòu)。
上述制作方法中外延生長SiC材料層，也可以先在SOI結(jié)構(gòu)的表層硅SOL上利用光刻、外延、碳化工藝先制作Si或SiC或AlN或GaN第一層緩沖層；然后在該緩沖層的上面利用常規(guī)的CVD方法外延生長SiC材料層，最后在該SiC材料層上再外延生長第二層緩沖層AlN或GaN。
上述GaN基器件，其中所述的自支撐SiC層，是通過在硅片上設(shè)制掩埋氧化層BOX、表層硅SOL，形成SOI結(jié)構(gòu)，該SOI結(jié)構(gòu)的表層硅SOL上設(shè)制有第一緩沖層，該緩沖層上外延有SiC材料層，剝離掉該SiC半導(dǎo)體材料層下面的第一緩沖層和SOI結(jié)構(gòu)層，形成自支撐的SiC層。
上述GaN基器件，其中所述的自支撐SiC層，是通過在硅片上設(shè)制掩埋氧化層BOX、表層硅SOL，形成SOI結(jié)構(gòu)，該SOI結(jié)構(gòu)上外延有SiC材料層，剝離掉該SiC材料下面的SOI結(jié)構(gòu)層，形成自支撐的SiC層。
上述制作GaN基器件的方法，其中所述(8)中對SOI結(jié)構(gòu)層的剝離，按如下過程進(jìn)行首先，使用比例為1∶10濃度為49％的HF酸和濃度為70％的HNO3酸溶液對SOI的體硅層進(jìn)行剝離，該體硅層位于BOX之下；然后，使用濃度為12％的HF酸溶液對BOX進(jìn)行腐蝕；最后，使用比例為1∶10，濃度為49％的HF酸和濃度為70％的HNO3酸溶液對SOL進(jìn)行剝離；所述剝離、腐蝕的時間t根據(jù)剝離時的溫度T以及SOI各層的厚度d決定。即t＝d/μT，腐蝕時間單位為秒，厚度單位為納米，μT為溫度為T度時的腐蝕速率，單位為納米每秒。
本發(fā)明由于使用了硅片上制作的SOI結(jié)構(gòu)作為外延生長SiC材料層的襯底，能夠釋放SiC材料與Si材料之間晶格失配與熱失配造成的高應(yīng)力，因此能夠生長出厚度較大的SiC材料層，在剝離掉其下的SOI結(jié)構(gòu)后可形成自支撐的SiC材料層。與傳統(tǒng)的基于硅襯底和藍(lán)寶石襯底的器件相比，在剝離掉SOI結(jié)構(gòu)層形成SiC自支撐層、緩沖層、GaN器件結(jié)構(gòu)層后，基于本發(fā)明制作的微波功率器件的散熱能力大為提高，光電器件的出光效率也大幅提高。同時，與傳統(tǒng)的基于碳化硅襯底制作的器件相比，本發(fā)明能夠制6英寸以上的GaN基器件，大幅降低單個器件的制作成本。


圖1是常規(guī)器件的結(jié)構(gòu)剖面2是本發(fā)明器件的結(jié)構(gòu)剖面3是制作本發(fā)明器件的第一種流程4是制作本發(fā)明器件的第二種流程5是本發(fā)明基于6英寸自支撐3C-SiC的立方相GaN HEMT器件剖面實(shí)例6是本發(fā)明基于4英寸自支撐6H-SiC的六方相GaN npN HBT器件剖面實(shí)例7是本發(fā)明基于4英寸自支撐6H-SiC的六方相GaN HEMT器件剖面實(shí)例8是本發(fā)明基于4英寸自支撐3C-SiC的立方相GaN LED器件剖面實(shí)例圖具體實(shí)施方式
以下參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的過程與實(shí)施例。
參照圖2，本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)由SiC自支撐層、緩沖層、GaN器件結(jié)構(gòu)層組成。該SiC自支撐層作為生長GaN器件結(jié)構(gòu)層的襯底并起到對器件物理支撐的作用，其上為緩沖層，緩沖層上為GaN器件結(jié)構(gòu)層；該緩沖層位于SiC層與GaN器件結(jié)構(gòu)層之間，起到調(diào)節(jié)SiC與GaN之間應(yīng)力的作用；該GaN器件結(jié)構(gòu)層的具體結(jié)構(gòu)由實(shí)際的器件類型決定，列如，LED、HEMT、HBT等。
參照圖3，本發(fā)明的制作過程如下第一步，根據(jù)器件要求選擇一定尺寸的硅片作為整個器件的襯底；該硅片晶面的選擇根據(jù)GaN器件的性能要求選擇不同晶面的硅片。例如微波功率器件可選擇(100)晶面的硅片；光電器件可選擇(111)晶面的硅片。
該硅片尺寸的選擇根據(jù)器件需求和后續(xù)SiC、GaN生長工藝的限制確定Si片的尺寸。例如對于GaN使用的金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD外延技術(shù)，硅片的尺寸取決于MOCVD反應(yīng)室尺寸的大小。此外，對于試驗(yàn)用器件，為了降低單次試驗(yàn)的成本可使用2英寸的硅片；對于生產(chǎn)用功率器件，為了降低單個器件的成本可選擇4英寸以上的硅片。總之，硅片尺寸的選擇必須同時考慮反應(yīng)室尺寸和器件用途兩方面的因素。
第二步，在上述硅片上制作BOX、SOL形成SOI結(jié)構(gòu)；該SOI結(jié)構(gòu)的工藝根據(jù)實(shí)際條件可選用注氧隔離SIMOX、硅片鍵合BESOI、智能剝離UNIBOND等常規(guī)SOI工藝。
該SOI各層的厚度SOL厚度小于300納米，BOX的厚度在10～500納米之間。
第三步，在上述SOI結(jié)構(gòu)上制作第一緩沖層；該第一緩沖層的制作工藝根據(jù)外延材料與設(shè)備情況可選用光刻、外延、碳化等不同的工藝。
所述的利用光刻工藝可制作島狀結(jié)構(gòu)的第一緩沖層，其過程如下1、根據(jù)設(shè)計的單個島尺寸和間距制作掩模板；2、使用甩膠機(jī)將光刻膠均勻的黏附在硅片上；3、將涂抹好光刻膠的硅片放入恒溫干燥箱中進(jìn)行烘烤；4、將制作好的掩模板與硅片壓緊，在紫外高壓水銀燈下曝光；5、先將曝光后的硅片放入顯影液中進(jìn)行顯影，再將硅片放入清洗液中進(jìn)行漂洗，得到所需的圖形；6、將顯影后的硅片放入烤箱中烘烤，之后用紅外燈再進(jìn)行二次烘烤；7、使用HF酸和HNO3酸溶液對硅片進(jìn)行腐蝕，以保證每個島的高度，在SOL上形成島狀結(jié)構(gòu)的第一緩沖層。
所述的利用外延工藝可制作島狀結(jié)構(gòu)的第一緩沖層，其的過程如下采用AlN或GaN材料作為制作SOL上第一緩沖層的外延材料，通過控制外延時的溫度、壓力使得外延處于島狀生長模式，調(diào)整生長時間控制單個島的尺寸與間距，在SOL上形成島狀結(jié)構(gòu)的第一緩沖層。
所述的利用選擇碳化工藝制作第一緩沖層的過程如下首先，將制作好SOI結(jié)構(gòu)的硅片襯底加熱到900C°度到1200C°度，并保持15到30分鐘去除氧化層與表面雜質(zhì)。隨后，通入丙烷氣體對SOL表面進(jìn)行碳化，形成SiC第一緩沖層。
第四步，使用CVD技術(shù)在第一緩沖層上外延生長SiC材料層；第五步，使用MOCVD技術(shù)在溫度為300C°度到600C°度、壓力為30到100托下在SiC材料層上淀積一層AlN或GaN作為后續(xù)生長GaN器件結(jié)構(gòu)層的第二緩沖層；第六步，根據(jù)器件的類型和要求在所述第二緩沖層上利用MOCVD、MBE等方法外延生長GaN器件結(jié)構(gòu)層；該GaN器件層的結(jié)構(gòu)取決于器件的類型和應(yīng)用，可由不同的結(jié)構(gòu)和材料構(gòu)成。例如，HBT器件的器件結(jié)構(gòu)層包括n型GaN、p型GaN、N型AlGaN等子層；HEMT器件的器件結(jié)構(gòu)層包括本征GaN、本征AlGaN隔離層、N型AlGaN等子層。LED器件的器件結(jié)構(gòu)層包括N型GaN、GaN與InGAN組成的量子阱、P型GaN、P型GaN接觸層等子層。
第七步，使用常規(guī)的GaN工藝在GaN器件結(jié)構(gòu)層上制作歐姆接觸或肖特基接觸，引出電極；第八步，SOI結(jié)構(gòu)層與第一緩沖層的剝離；首先，使用比例為1∶10濃度為49％的HF酸和濃度為70％的HNO3酸溶液對SOI的最下面的體硅層進(jìn)行剝離，該體硅層位于BOX之下；然后，使用濃度為12％的HF酸溶液對BOX進(jìn)行腐蝕；最后，使用比例為1∶10，濃度為49％的HF酸和濃度為70％的HNO3酸溶液對SOL進(jìn)行剝離；該剝離、腐蝕的時間t根據(jù)剝離時的溫度T以及SOI各層的厚度d決定。即t＝d/μT，腐蝕時間單位為秒，厚度單位為納米，uT為溫度為T度時的腐蝕速率，單位為納米每秒。
參照圖4可以省略第三步，直接在SOI結(jié)構(gòu)上使用CVD方法生長SiC材料層，接著再進(jìn)行第五步的制作。
通過以上的工藝步驟可得到基于自支撐SiC的GaN器件。
實(shí)例1本發(fā)明制作基于6英寸自支撐3C-SiC的立方相GaN HEMT。
硅片選用6英寸(111)面Si片。
SOI工藝SIMOX。
第一緩沖層光刻工藝制作Si島狀結(jié)構(gòu)。
第二緩沖層采用AlN材料。
參照圖3本實(shí)例的制作過程如下1、在6英寸Si的(111)晶面上制作SOI結(jié)構(gòu)，即使用SIMOX工藝制作厚度為100納米的SOL層，厚度為150納米的BOX層。
2、制作Si島狀結(jié)構(gòu)的第一緩沖層。
首先設(shè)計單個島的尺寸為150納米、間距為200納米，根據(jù)這些數(shù)據(jù)制作曝光用掩模板；接著，使用甩膠機(jī)將聚乙烯醇肉桂酸酯KPR光刻膠均勻的黏附在6英寸(111)晶面的Si片上；
接著，將涂抹好光刻膠的6英寸(111)晶面的Si片放入80C°度的恒溫干燥箱中進(jìn)行烘烤12分鐘后取出；接著，將制作好的掩模板與6英寸(111)晶面的Si片壓緊，在紫外高壓水銀燈下曝光；接著，將曝光后的硅片放入丁酮溶液中進(jìn)行顯影，去掉未感光的光刻膠保留感光部分，然后將6英寸(111)晶面的Si片放入丙酮和去離子水中進(jìn)行漂洗后取出；接著，將漂洗后的6英寸(111)晶面的Si片放入烤箱中，在150C°度下烘烤20分鐘，再用紅外燈從背面烘烤15分鐘；最后，使用比例為1∶10，濃度為49％的HF酸和濃度為70％的HNO3酸溶液在25C°度時對硅片進(jìn)行腐蝕，刻蝕深度為60～70納米，形成島狀結(jié)構(gòu)的第一緩沖層。
3、使用硅烷、甲烷作為硅源和碳源，溫度為1400C°度時采用CVD技術(shù)在島狀結(jié)構(gòu)的第一緩沖層上外延SiC材料。SiC的厚度約為100微米。
4、通過MOCVD低溫淀積AlN第二緩沖層。
采用三乙基鎵、三甲基鋁與高純氨氣作為鎵源、鋁源與氮源，在溫度約為600C°度，壓力為40托下使用MOCVD技術(shù)外延AlN第二緩沖層。
5、使用MOCVD技術(shù)在AlN第二緩沖層上制作GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)層。
采用三乙基鎵、三乙基鋁、高純氨氣作為鎵源、鋁源與氮源，控制溫度為950C°度，壓力為40托，依次生長1000納米的GaN、8納米的GaN隔離層、30納米的Al0.3Ga0.7N。在生長Al0.3Ga0.7N時通入硅烷氣體進(jìn)行N型摻雜，摻雜濃度為1018/cm3。
6、在GaN結(jié)構(gòu)層上制作制作歐姆接觸或肖特基接觸，引出電極在Al0.3Ga0.7N層上通過電子束蒸發(fā)的方式淀積Ti/Al/Ni/Au、Ni/Au作為歐姆接觸和肖特基接觸，在金屬上引出電極，形成漏極、源極與柵極。
7、將自支撐SiC材料下面的SOI結(jié)構(gòu)及第一緩沖層按如下過程進(jìn)行剝離首先，使用比例為1∶10濃度為49％的HF酸和濃度為70％的HNO3酸溶液在25C°度時對SOI的體硅層進(jìn)行剝離，該腐蝕速率為每秒5.5微米，時間為45秒鐘，該體硅層位于BOX之下；然后，使用濃度為12％的HF酸溶液在25C°度時對BOX進(jìn)行腐蝕，該腐蝕速率為每秒32埃，時間為40秒；最后，使用比例為1∶10，濃度為49％的HF酸和濃度為70％的HNO3酸溶液在25C°度時，對SOL與Si島狀緩沖層進(jìn)行剝離，時間為5秒鐘，最后形成基于6英寸自支撐3C-SiC的立方相GaN HEMT器件，器件的剖面參照圖5。
實(shí)例2本發(fā)明制作基于4英寸6H-SiC的六方相GaN npN HBT。
硅片選用4英寸(100)面Si片。
SOI工藝UNIBOND。
第一緩沖層碳化工藝制作SiC第一緩沖層。
第二緩沖層采用AlN材料。
參照圖3，本實(shí)例的制作過程如下1、在4英寸Si片的(100)晶面上制作SOI結(jié)構(gòu)，即使用UNIBOND工藝制作厚度為80納米的SOL層，厚度為120納米的BOX層。
2、首先，將襯底加熱到1100C°度，保持30分鐘去除氧化層與表面雜質(zhì)。隨后，通入丙烷氣體對SOL表面進(jìn)行碳化，形成SiC碳化層。
3、使用硅烷、甲烷分別作為Si源和碳源，溫度為1400C°度時利用CVD技術(shù)在SiC第一緩沖層上外延SiC材料。SiC的厚度約為80微米。
4、通過MOCVD低溫淀積AlN第二緩沖層。
采用三乙基鎵、三甲基鋁與高純氨氣作為鎵源、鋁源與氮源，在溫度約為600C°度，壓力為40托下使用MOCVD技術(shù)外延AlN第二緩沖層。
5、采用MOCVD技術(shù)在AlN第二緩沖層上制作GaN HBT的器件結(jié)構(gòu)層。采用三乙基鎵、三乙基鋁、高純氮?dú)庾鳛殒壴?、鋁源與氮源，溫度為950C°度，壓力為40托。依次生長1000納米的GaN、800納米的重?fù)絥型GaN、500納米的輕摻n型GaN、150納米的p型GaN、100納米的n型Al0.2Ga0.8N。分別使用硅烷、二茂鎂作為施主Si與受主Mg的氣源。
6、在GaN結(jié)構(gòu)層上制作制作歐姆接觸或肖特基接觸，引出電極。
首先，使用電感耦合等離子ICP刻蝕出基極與集電極的臺面；隨后，分別在臺面上利用電子束蒸發(fā)淀積Ti/Al/Pt/Au、Ni/Pt/Au作為N型與P型材料的歐姆接觸；最后，在這些歐姆接觸上引出電極形成基極、射極、集電極。
7、對自支撐SiC材料下面的SOI結(jié)構(gòu)按如下過程進(jìn)行剝離。
首先，使用比例為1∶10濃度為49％的HF酸和濃度為70％的HNO3酸溶液，在25C°度時對SOI的體硅層進(jìn)行剝離，其腐蝕速率為每秒5.5微米，時間為45秒鐘，該體硅層位于BOX層之下；
然后，使用濃度為12％的HF酸溶液，在25C°度時對BOX進(jìn)行腐蝕，腐蝕速率為每秒32埃，時間為40秒，以剝離掉BOX；最后，使用比例為1∶10濃度為49％的HF酸和濃度為70％的HNO3酸溶液，在25C°度時對SOL進(jìn)行剝離，時間為3秒鐘，最終形成基于4英寸6H-SiC的六方相GaNnpN HBT器件，器件剖面結(jié)構(gòu)參照圖6。
實(shí)例3本發(fā)明制作基于4英寸自支撐6H-SiC的六方相GaN高電子遷移率HEMT器件。
硅片選用4英寸(100)面Si片。
SOI工藝BESOI。
第一緩沖層外延工藝制作AlN島狀結(jié)構(gòu)的第一緩沖層。
第二緩沖層采用AlN材料。
參照圖3本實(shí)例的制作過程如下1、在4英寸Si片的(100)晶面上制作SOI結(jié)構(gòu)，即使用BESOI工藝制作厚度為30納米的SOL層，厚度為150納米的BOX層。
2、通過MOCVD低溫淀積AlN第一緩沖層。在低溫時AlN處于島狀生長模式，控制生長時間與溫度形成非晶島狀緩沖層。采用三甲基鋁、三乙基鎵、高純氮?dú)庾鳛殇X源、鎵源與氮源。溫度約為600C°度，壓力為40托。此外，還可使用GaN材料制作第一緩沖層，過程如下控制生長時間與溫度形成非晶島狀緩沖層。采用三乙基鎵、高純氮?dú)庾鳛殒壴磁c氮源。溫度約為450C°度，壓力為40托。
3、使用硅烷、甲烷分別作為Si源和碳源，溫度為1400C°度時利用CVD技術(shù)在島狀緩沖層上外延SiC材料。SiC的厚度約為100微米。
4、通過MOCVD低溫淀積AlN第二緩沖層。
采用三乙基鎵、三甲基鋁與高純氨氣作為鎵源、鋁源與氮源，在溫度約為600C°度，壓力為40托下使用MOCVD技術(shù)外延AlN第二緩沖層。
5、采用MOCVD技術(shù)在AlN第二緩沖層上淀積GaN HEMT結(jié)構(gòu)層。
采用三乙基鎵、三乙基鋁、高純氨氣作為鎵源、鋁源與氮源，溫度為950C°度，壓力為40托。依次生長1000納米的GaN、8納米的GaN隔離層、30納米的Al0.3Ga0.7N。在生長Al0.3Ga0.7N時通入硅烷氣體進(jìn)行N型摻雜，摻雜濃度為1018/cm3。
6、在GaN結(jié)構(gòu)層上制作制作歐姆接觸或肖特基接觸，引出電極。
先在Al0.3Ga0.7N層上通過電子束蒸發(fā)的方式淀積Ti/Al/Ni/Au、Ni/Au作為歐姆接觸和整流接觸，再在金屬上引出電極，形成漏極、源極與柵極。
7、對自支撐SiC材料下面的SOI結(jié)構(gòu)按如下過程進(jìn)行剝離。
首先，使用比例為1∶10濃度為49％的HF酸和濃度為70％的HNO3酸溶液在25C°度時對SOI的體硅層進(jìn)行剝離，該腐蝕速率為每秒5.5微米，時間為45秒鐘，該體硅層位于BOX之下；然后，使用濃度為12％的HF酸溶液在25C°度時對BOX進(jìn)行腐蝕，該腐蝕速率為每秒32埃，時間為40秒；最后，使用比例為1∶10，濃度為49％的HF酸和濃度為70％的HNO3酸溶液在25C°度時，對SOL進(jìn)行剝離，時間為5秒鐘，最后形成基于6英寸自支撐6H-SiC的六方相GaN HEMT器件，器件的剖面結(jié)構(gòu)參照圖7。
實(shí)例4本發(fā)明制作基于4英寸自支撐3C-SiC的立方相GaN發(fā)光二極管LED器件。
硅片選用4英寸(111)面Si片。
SOI工藝SIMOX。
緩沖層采用GalN材料。
參照圖4，本實(shí)例的制作過程如下1、在4英寸Si片的(111)晶面上制作SOI結(jié)構(gòu)，即使用SIMOX制作厚度為20納米的SOL層，厚度為150納米的BOX層。
2、使用硅烷、甲烷分別作為Si源和碳源，溫度為1400C°度時利用CVD技術(shù)在SOI結(jié)構(gòu)層的SOL上外延SiC材料。SiC的厚度約為100微米。
3、采用三乙基鎵與高純氨氣作為鎵源與氮源，在溫度約為450C°度，壓力為40托下使用MOCVD技術(shù)外延GaN緩沖層。
4、采用MOCVD技術(shù)在GaN緩沖層上淀積GaN LED結(jié)構(gòu)層。
采用三乙基鎵、三乙基鋁、三甲基銦、高純氨氣作為鎵源、鋁源、鋼源與氮源，溫度為950C°度，壓力為40托。依次生長N型摻雜濃度為1020/cm31000納米厚的GaN、5個周期的GaN與In0.3Ga0.7N組成的量子阱、250納米的P型摻雜濃度為1017/cm3的GaN、30納米的P型摻雜濃度為1017/cm3的GaN接觸層。分別使用硅烷、二茂鎂作為Si源與Mg源。
5、在GaN結(jié)構(gòu)層上制作制作歐姆接觸或肖特基接觸，引出電極。
首先，使用ICP在P型GaN接觸層上刻蝕出用于制作N型歐姆接觸的臺面。隨后，所刻蝕出的臺面及P型GaN接觸層上利用電子束蒸發(fā)淀積Ti/Al/Pt/Au、Ni/Pt/Au作為N型歐姆接觸與P型歐姆接觸。接著，在這些歐姆接觸上引出電極形成正極、負(fù)極。
6、對自支撐SiC材料下面的SOI結(jié)構(gòu)按如下過程進(jìn)行剝離。
首先，使用比例為1∶10濃度為49％的HF酸和濃度為70％的HNO3酸溶液在25C°度時對SOI的體硅層進(jìn)行剝離，該腐蝕速率為每秒5.5微米，時間為45秒鐘，該體硅層位于BOX之下；然后，使用濃度為12％的HF酸溶液在25C°度時對BOX進(jìn)行腐蝕，該腐蝕速率為每秒32埃，時間為40秒；最后，使用比例為1∶10，濃度為49％的HF酸和濃度為70％的HNO3酸溶液在25C°度時，對SOL進(jìn)行剝離，時間為5秒鐘，最后形成基于4英寸自支撐3C-SiC的立方相GaN發(fā)光二極管LED，器件剖面結(jié)構(gòu)參照圖8。
對于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來說，在了解了本發(fā)明內(nèi)容和原理后，能夠在不背離本發(fā)明的原理和范圍的情況下，根據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種GaN器件，包括緩沖層，GaN器件結(jié)構(gòu)層，其特征在于緩沖層的下面是一層自支撐的SiC層，構(gòu)成該GaN器件的三層結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN器件，其特征在于所述的自支撐SiC層，是通過在硅片上設(shè)制掩埋氧化層BOX、表層硅SOL，形成SOI結(jié)構(gòu)，該SOI結(jié)構(gòu)的表層硅SOL上設(shè)制有第一緩沖層，該緩沖層上外延有SiC材料層，剝離掉該SiC半導(dǎo)體材料層下面的第一緩沖層和SOI結(jié)構(gòu)層，形成自支撐的SiC層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN器件，其特征在于所述的自支撐SiC層，是通過在硅片上設(shè)制掩埋氧化層BOX、表層硅SOL，形成SOI結(jié)構(gòu)，該SOI結(jié)構(gòu)上外延有SiC材料層，剝離掉該SiC材料下面的SOI結(jié)構(gòu)層，形成自支撐的SiC層。
4.一種制作權(quán)利要求1器件的方法，按如下過程進(jìn)行(1)根據(jù)器件要求選擇作為整個器件襯底的硅片晶向和尺寸；(2)利用常規(guī)的注氧隔離SIMOX、硅片鍵合BESOI、智能剝離UNIBOND在所選硅片上制作掩埋氧化層BOX、表層硅SOL，形成SOI結(jié)構(gòu)，即絕緣層上的硅；(4)在所述的SOI結(jié)構(gòu)上利用常規(guī)的化學(xué)汽相淀積CVD方法外延生長SiC材料層；(5)在外延生長的SiC層上通過常規(guī)的金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積MOCVD或分子束外延MBE方法外延生長AlN或GaN緩沖層；(6)在所述緩沖層上利用MOCVD或MBE方法外延生長出GaN器件結(jié)構(gòu)層；(7)利用常規(guī)的GaN工藝在GaN器件結(jié)構(gòu)層上制作歐姆接觸和肖特基接觸，引出電極；(8)利用常規(guī)的剝離工藝將所述SiC材料下面的SOI結(jié)構(gòu)層剝離掉，形成自支撐SiC的GaN器件三層結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于在SOI結(jié)構(gòu)的表層硅SOL上還可利用光刻、外延、碳化工藝先制作Si或SiC或AlN或GaN第一緩沖層；然后在該緩沖層的上面利用常規(guī)的CVD方法外延生長SiC材料層，最后在該SiC材料層上再外延生長第二緩沖層AlN或GaN。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述(8)中對SOI結(jié)構(gòu)層的剝離，按如下過程進(jìn)行首先，使用比例為1∶10濃度為49％的HF酸和濃度為70％的HNO3酸溶液對SOI的體硅層進(jìn)行剝離，該體硅層位于BOX之下；然后，使用濃度為12％的HF酸溶液對BOX進(jìn)行腐蝕；最后，使用比例為1∶10，濃度為49％的HF酸和濃度為70％的HNO3酸溶液對SOL進(jìn)行剝離；上述剝離、腐蝕的時間t根據(jù)剝離時的溫度T以及SOI各層的厚度d決定。即t＝d/μT，腐蝕時間單位為秒，厚度單位為納米，μT為溫度為T度時的腐蝕速率，單位為納米每秒。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于自支撐SiC的GaN器件及制作方法。主要解決現(xiàn)有GaN器件尺寸小、電學(xué)性能差、熱導(dǎo)率低等問題。其方法是首先在Si片上制作掩埋氧化層BOX及表層硅SOL形成絕緣層上的硅SOI結(jié)構(gòu)；再在SOL上外延生長SiC材料層；接著在SiC材料層上通過外延方法制作AlN或GaN緩沖層；接著在該緩沖層上外延生長GaN器件結(jié)構(gòu)層；最后將SiC材料下面的SOI結(jié)構(gòu)剝離掉，形成基于自支撐SiC的GaN器件。該GaN器件自下而上依次由SiC自支撐層、緩沖層、GaN器件結(jié)構(gòu)層組成。本發(fā)明具有能夠提高器件散熱能力和出光效率、降低器件制作成本的優(yōu)點(diǎn)，可用于進(jìn)行HBT、HEMT、LED等器件的制作。
文檔編號H01L33/00GK1971943SQ20061010513
公開日2007年5月30日 申請日期2006年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月7日
發(fā)明者郝躍, 張進(jìn)程, 陳軍峰 申請人:西安電子科技大學(xué)